Cómo es NIST-F4, el reloj atómico que redefine la precisión del tiempo

En el campus del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) en Boulder, Colorado, un nuevo protagonista ha emergido para mantener al mundo en hora: el NIST-F4. Se trata de un reloj atómico de fuente de cesio cuya precisión fue validada recientemente ante la Oficina Internacional de Pesas y Medidas (BIPM), que apunta a su aceptación oficial como patrón de frecuencia primaria. Según informó Phys.org, este avance posiciona al NIST-F4 entre los cronometradores más exactos a nivel global.

El NIST-F4 mide una frecuencia invariable en el corazón de los átomos de cesio, siguiendo el estándar que define el segundo desde 1967. Este tipo de relojes, llamados de “fuente de cesio”, se basan en enfriar una nube de átomos casi hasta el cero absoluto con láseres, para luego impulsarlos en un trayecto vertical y someterlos dos veces a radiación de microondas.

Durante ese recorrido, los átomos interactúan con microondas a una frecuencia especial, conocida como la frecuencia de resonancia del cesio. Esa interacción permite contar exactamente 9.192.631.770 ciclos para definir un segundo. Tal es la estabilidad del NIST-F4 que, de haber estado en funcionamiento desde la época de los dinosaurios, hoy su error acumulado sería menor a un segundo, como reportó Phys.org.

A su vez, esta tecnología no solo representa un logro técnico, sino que también cumple un rol esencial en la vida diaria. Este reloj ayuda a mantener la hora oficial de Estados Unidos, que se distribuye mediante señales de radio e internet. La hora precisa es crítica para una gran cantidad de servicios, como sistemas de telecomunicaciones, redes de transporte, plataformas financieras y operaciones en centros de datos.

De acuerdo a Liz Donley, jefa de la División de Tiempo y Frecuencia del NIST, las señales horarias provenientes del NIST-F4 “se utilizan literalmente miles de millones de veces al día para todo, desde configurar relojes hasta garantizar la precisión del marcado temporal de cientos de miles de millones de dólares en transacciones financieras electrónicas”, tal como destacó Phys.org.

El NIST-F4 se une a un exclusivo club de menos de 20 relojes de fuente operativos en todo el mundo, gestionados por apenas una decena de países. A diferencia de los relojes atómicos comerciales usados por empresas privadas, los relojes de fuente como el NIST-F4 son construidos y operados en laboratorios nacionales de medición, lo que los hace sumamente especializados y de alta complejidad técnica.

Además, fortalece así la base sobre la cual se sincroniza el Tiempo Universal Coordinado (UTC), un sistema consensuado que reúne datos de múltiples relojes atómicos a nivel mundial.

La creación del NIST-F4 es el resultado de un largo proceso de investigación y reconstrucción iniciado a partir del antiguo NIST-F1. Luego de su traslado a un nuevo edificio en 2016, el NIST-F1 debió ser restaurado minuciosamente, tarea que se extendió más de lo previsto.

En 2020, el físico Vladislav Gerginov comenzó a estudiar su funcionamiento y, junto a su colega Greg Hoth, decidió reconstruir el corazón del reloj: la cavidad de microondas. Esta reconstrucción exigió tolerancias de entre 5 y 10 micras, es decir, una medida equivalente a una quinta parte del grosor de un cabello humano, según lo relatado por Phys.org.

Se agregaron nuevas bobinas magnéticas, sistemas de calefacción eléctrica y componentes ópticos, perfeccionando la estabilidad del dispositivo. Gracias a meses de comparaciones con máseres de hidrógeno —relojes de alta resistencia que definen los segundos de la hora oficial estadounidense—, se verificó que el NIST-F4 cumpliera los estrictos estándares requeridos.

Si bien el NIST-F4 representa el pináculo de la tecnología actual basada en el cesio, ya se proyecta un futuro en que los relojes ópticos, que ofrecen aún mayor precisión, redefinan el segundo internacional a partir de 2030. De todos modos, según apuntó Phys.org, los relojes de fuente de cesio seguirán desempeñando un rol relevante en el cronometraje, aunque su protagonismo disminuirá.

Actualmente, el NIST-F4 y su “hermano” el NIST-F3 operan aproximadamente el 90% del tiempo, asegurando que siempre haya un reloj de fuente funcionando en el NIST. Sus datos contribuyen continuamente a la gestión del UTC(NIST), beneficiando a todos los sistemas que dependen de una sincronización precisa.

Como afirmó Liz Donley en declaraciones recogidas por Phys.org, “el éxito de NIST-F4 ha renovado el liderazgo global del NIST en patrones de frecuencia primarios”. Gracias a su funcionamiento fiable y a su elevada disponibilidad, el NIST-F4 fortalece la infraestructura crítica que sostiene la vida digital y tecnológica contemporánea.